2014-02-09
7243
Лекция 9
Магнитные свойства твердых тел
9.1 Орбитальный магнитный и механический момент электрона
9.2 Диамагнетики и парамагнетики
9.3 Ферромагнетизм
9.4 Антиферромагнетизм
Все вещества в природе по магнитным свойствам подразделяются на пять видов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).
Магнитную активность проявляют все вещества без исключения, поэтому естественно предположить, что магнитные свойства вещества определяются элементарными частицами, входящими в состав каждого атома. Такими одинаковыми для всех атомов частицами являются электроны, протоны и нейтроны. Исследования показали, что магнитные моменты протона и нейтрона почти на три порядка ниже наименьшего магнитного момента электрона, поэтому в первом приближении можно пренебречь магнитным моментом ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и полагать, что магнитные свойства атома целиком определяются электронами. Это положение является фундаментальным в электронной теории магнетизма, которая общепринята в учении о магнетизме.
Всякий атом представляет собой динамическую систему, состоящую из ядра и электронного облака. Каждый электрон обладает определенным спиновым магнитным моментом Рсп, кроме того, движение электрона по некоторой замкнутой орбите внутри атома создает так называемый орбитальный магнитный момент Рорб. Следовательно, полный магнитный момент атома Рат будет представлять геометрическую сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, принадлежащих данному атому
,
где z – число электронов в атоме.
Рассмотрим процессы в атомах, молекулах и кристаллах, которые определяют принадлежность данного вещества к одному из пяти видов магнетиков. Для этого выясним сначала соотношение между магнитным и механическим моментами электрона.
Электрон, вращающийся вокруг ядра с частотой n, по своему магнитному действию эквивалентен круговому току. Магнитный момент этого тока и есть орбитальный магнитный момент электрона, модуль которого равен:
,
где 
– сила тока;
– частота вращения;
S – площадь орбиты электрона.
Если электрон движется по часовой стрелке, то ток направлен против часовой стрелки и вектор 
в соответствии с правилом правого винта направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона (рисунок 9.1).
Рисунок 9.1 – Взаимная ориентация орбитального магнитного
и механического моментов электрона
С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса, модуль которого равен:
,
где 
, а 
. Вектор 
, направление которого также подчиняется правилу правого винта, называется орбитальным механическим моментом электрона.
Векторы 
и 
жестко связаны и всегда противоположны (рисунок 9.1) (так как направление тока противоположно направлению движения электрона), поэтому поворот одного из векторов обязательно сопровождается таким же поворотом другого вектора.
Отношение магнитного момента к механическому называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов:
.
В полученную формулу не входит номер орбиты электрона п. Следовательно, орбитальное гиромагнитное отношение одинаково для любой электронной орбиты. Формула выведена для круговой орбиты электрона, но можно доказать, что она справедлива и для любой эллиптической орбиты.
Экспериментальное определение гиромагнитного отношения было проведено в опытах Эйнштейна и де Гааза, которые наблюдали поворот свободно подвешенного на тончайшей кварцевой нити железного стержня при его намагничивании во внешнем магнитном поле. Значение гиромагнитного отношения, найденное в этих опытах, оказалось равным 
, т. е. в два раза больше, чем определенное ранее.
Для объяснения этого результата было предположено, а впослед-ствии доказано, что кроме орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса 
, называемый спи-ном. Спину электрона соответствует спиновой магнитный момент 
.
Величина спинового орбитального момента в два раза больше орбитального:
.
Важнейшей особенностью спина электрона является то, что в маг-нитном поле спин может быть ориентирован только двумя способами: либо параллельно напряженности поля, либо антипараллельно.
